Биосинтез аминокислот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный технический университет»

ВолгГТУ

Химико-технологический факультет

Кафедра «Органическая химия»

Контрольно-семестровая работа на тему

«Биосинтез аминокислот»

Выполнил: ст.гр. ХТ-442

Мяснянкин А.М.

Проверил: Доцент

Титова Е.С.

Волгоград, 2021

Содержание

Введение

Биосинтез аминокислот семейства глутамата

Биосинтез аминокислот семейства аспартата

Биосинтез аминокислот семейства пирувата

Биосинтез аминокислот семейства серина

Биосинтез аминокислот семейства пентоз

Закономерности биосинтеза аминокислот

Промышленное производство аминокислот

Заключение

Список литературы

Введение

Пути биосинтеза аминокислот довольно сложны, многоплановы, так как одна и та же аминокислота может синтезироваться разными способами, и могут существенно отличаться у разных организмов. Заменимые аминокислоты синтезируются с помощью довольно простых реакций, в то время как пути биосинтеза незаменимых аминокислот очень сложны. К незаменимым для белых крыс аминокислотам относятся: валин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан, гистидин и аргинин. Восемь из десяти перечисленных аминокислот не синтезируются также организмом человека, являются ли гистидин и аргинин незаменимыми для человека, остается спорным.

Тем не менее существует довольно большое количество закономерностей в этих процессах, и для удобства все 20 протеиногенных аминокислот можно разделить на 5 биосинтетических семейств.

Биосинтез аминокислот семейства глутамата

К этому семейству относятся: глутамат, глутамин, пролин, и аргинин. Первые две аминoкислоты образуются из a-кетоглутарата, а аминогруппы берут свое начало из молекул аммиака (рис. 1). Пролин синтезируется из глутамата в ходе четырех реакций: g-карбоксильная группа глутамата реагирует с АТР, образуя ацилфосфат. Последний восстанавливается с участием NADРH до альдегида, а затем в ходе самопроизвольной дегидратации преобразуется в циклическое соединение -- пирролин-карбоксилат. Этот продукт восстанавливается при участии NADPH в пролин (рис. 2).

Рисунок 1 Включение аммиака в состав аминокислот

Рисунок 2 Биосинтез пролина

Синтез аргинина (рис. 3) также осуществляется из глутамата, который вначале ацетилируется по аминогруппе, а затем подвергается уже описанным выше реакциям фосфорилирования и формирования полуальдегида. Однако g-полуальдегид N-ацетилглутамата не циклизуется, как в пути биосинтеза пролина, а трансаминируется с участием глутамата (Glu). В результате этой реакции образуется a-кетоглутарат (КГ) и N-ацетилорнитин. Последний подвергается деацетилированию с образованием орнитина. Орнитин превращается в аргинин в ходе нескольких реакций, представленных в цикле мочевины.

Рисунок 3 Биосинтез аргинина

Биосинтез аминокислот семейства аспартата

К семейству аспартата относятся: аспартат, аспарагин, лизин, треонин, изолейцин и метионин. Пять последних аминокислот из этого состава синтезируются из аспартата, который, в свою очередь, образуется из оксалоацетата--промежуточного продукта ЦТК -- в ходе реакции трансаминирования. Донором аминогруппы при этом выступает глутамат (рис. 4, а).

Рисунок 4 Биосинтез аспартата (а) и аспарагина (б)

Аспартат служит предшественником для синтеза аспарагина, причем у многих бактерий может осуществляться прямое аминирование аспартата в АТР-зависимой реакции с участием аспарагинсинтетазы:

В клетках млекопитающих идет другая реакция, в которой донором аминогруппы при образовании аспарагина выступает глутамин (рис. 4, б).

Лизин, метионин и треонин синтезируются из производных аспартата (рис. 5), а изолейцин -- из треонина.

Рисунок 5 Биосинтез треонина. Схема путей биосинтеза метионина, лизина, изолейцина

Лизин в клетках бактерий и растений синтезируется в ходе альдольной конденсации полуальдегида аспарагиновой кислоты и пирувата с последующим восстановлением, присоединением остатка сукцината, трансаминированием с участием глутамата, внутримолекулярной перестройкой и декарбоксилированием. В клетках грибов используется другой путь биосинтеза лизина -- из a-кетоглутарата и ацетил-СоА.

Углеродный скелет метионина формируется из гомосерина, атом серы происходит от цистеина, а донором метильной группы служит N-метилтетрагидрофолиевая кислота.

Треонин служит источником четырех из шести углеродных атомов в молекуле изолейцина. На первой стадии синтеза треонин дезаминируется, превращаясь в 2-кетобутират, затем взаимодействует с пируватом, подвергается структурным перестройкам и реакции трансаминирования, в которой донором аминогруппы выступает глутамат.

Биосинтез аминокислот семейства пирувата

Из пирувата синтезируются: аланин, валин и лейцин. Аланин образуется в реакции трансаминирования, где донором аминогруппы служит глутамат (рис. 6).

Рисунок 6 Биосинтез аланина

Синтез валина и лейцина имеет несколько общих стадий и начинается с образования ацетолактата. Этот метаболит формируется из двух молекул пирувата: одна из них декарбоксилируется, и образованный активный ацетат переносится на вторую молекулу (рис. 7). Эту реакцию катализирует ацетолактат-синтаза при участии тиаминпирофосфата. 2-Ацетолактат восстанавливается в диоксиизовалериановую кислоту, что сопровождается миграцией метильной группы. Диоксиизовалерат дегидратируется в 2-кетоизовалерат. Этот продукт может превращаться в валин в реакции трансаминирования с участием глутамата, а также конденсироваться с ацетил-СоА и в ходе нескольких реакций (изомеризация, восстановление, декарбоксилирование, трансаминирование) преобразовываться в лейцин. Донором аминогруппы в образовании лейцина также является глутамат.

Рисунок 7 Биосинтез валина и лейцина. Пунктирная линия заменяет несколько этапов синтеза.

Биосинтез аминокислот семейства серина

В семейство входят серин, цистеин и глицин. Предшественником этих аминокислот является 3- фосфоглицерат -- промежуточный продукт гликолиза.

3-Фосфоглицерат окисляется в 3-фосфогидроксипируват, а затем аминируется с участием глутамата в 3-фосфосерин и дефосфорилируется в серин (рис. 8). Существует и альтернативный путь, когда отщепление фосфатной группы происходит до реакции окисления:

3-Фосфоглицерат > Глицерат > Гидроксипируват > Серин

Серин служит субстратом для синтеза глицина и цистеина. При образовании глицина b-углеродный атом боковой цепи серина акцептируется переносчиком одноуглеродных фрагментов -- кофактором тетрагидрофолиевой кислотой при участии фермента серин-гидроксиметил-трансферазы. Существует и другой путь синтеза глицина: из СО₂, NH⁺₄ и метилентетрагидрофолиевой кислоты, который катализируется глицин-синтазой.

Рисунок 8 Биосинтез серина, цистеина и глицина. Пунктирной стрелкой показано многоступенчатое превращение метионина в гомоцистеин; пунктирной линией в молекуле цистатионина показана связь, атакуемая цистатионин--лиазой

Превращение серина в цистеин связано с замещением атома кислорода боковой цепи на атом серы, донором которого является метионин. Вначале метионин в серии АТР-зависимых реакций, где образуется его активированная форма (S-аденозилметионин), теряет метильную группу при атоме серы и превращается в гомоцистеин:

Затем гомоцистеин взаимодействует с серином, образуя цистатионин, который расщепляется цистатионин-g-лиазой на цистеин и a-кетобутират (рис. 16.9).

У некоторых микроорганизмов существует альтернативный путь синтеза цистеина, где донором атома серы служит сероводород. В этом случае серин вначале ацетилируется за счет ацетил-СоА (катализирует реакцию серинтрансацетилаза), а затем ацетилсерин взаимодействует с сероводородом при участии О-ацетилсерин-сульфгидролазы:

Биосинтез аминокислот семейства пентоз

Принадлежащие к этому семейству аминокислоты (гистидин, триптофан, фенилаланин и тирозин) синтезируются при участии пятиуглеродного промежуточного соединения пентозофосфатных путей -- рибозо-5-фосфата, на основании чего их и объединяют в семейство пентоз. На рисунке 9 показаны пути преобразования рибозо-5-фосфата, приводящие к формированию соединений, из которых синтезируются названные аминокислоты.

Рисунок 9 Общая схема биосинтеза гистидина, триптофана, фенилаланина и тирозина. Пунктирные стрелки обозначают многоэтапные процессы

Процесс биосинтеза гистидина довольно сложен и осуществляется с участием 5-фосфорибозил-1-пирофосфата, АТР и глутамина. На рисунке 9 в составе молекулы гистидина показано происхождение атомов углерода и азота: один атом азота имидазольного кольца происходит из амидной группы глутамина, другой атом азота и один из углеродных атомов кольца берут начало от АТР, а остальные углеродные атомы ведут происхождение от 5-фосфорибозил-1-пирофосфата.

Биосинтез ароматических аминокислот начинается со стадии конденсации эритрозо-4-фосфата с фосфоенолпируватом. Образующееся семиуглеродное соединение (7-фосфо-2-кето-3-дезокси-D-арабиногептулозо-нат) дефосфорилируется, циклизуется, дегидратируется и восстанавливается при участии NADPH в шикимовую кислоту. Шикимовая кислота претерпевает еще одну конденсацию с фосфоенолпируватом и после элиминирования остатка фосфорной кислоты превращается в хоризмовую кислоту (рис. 10). Хоризмат служит основным предшественником пути биосинтеза триптофана.

Хоризмовая кислота используется также для синтеза фенилаланина, т. е. на этапе ее формирования пути биосинтеза двух незаменимых ароматических аминокислот -- триптофана и фенилаланина -- расходят-ся (отсюда и название хоризмата, которое происходит от греческого слова, означающего «вилка»).

Фенилаланин образуется в ходе трех последовательных реакций: изомеризации хоризмата в префенат, дегидратирования и декарбоксилирования префената в фенилпируват и трансаминирования фенилпирувата с участием глутамата.

Заменимая кислота тирозин может синтезироваться из фенилаланина путем его гидроксилирования с участием фенилаланин-4-моноокси-геназы, а также из префеновой кислоты после ее декарбоксилирования и аминирования.

Рисунок 10 Путь биосинтеза триптофана. Пунктирные стрелки обозначают многоэтапные процессы.

Закономерности биосинтеза аминокислот

биосинтез аминокислота синтез аргинин

Обзор путей биосинтеза протеиногенных аминокислот позволяет выявить следующие основные закономерности этих процессов:

1) углеродные скелеты аминокислот берут свое начало от промежуточных продуктов гликолиза (3-фосфоглицерат, фосфоенолпируват, пируват), пентозофосфатных путей (рибозо-5-фосфат и эритрозо-4-фосфат), ЦТК (оксалоацетат и a-кетоглутарат);

2) донором аминогрупп для большинства протеиногенных аминокислот служит глутамат, реже--глутамин; реакции, в которых аминогруппа аминокислоты переносится на кетокислоту, называются «реакции трансаминирования»;

3) биосинтез многих аминокислот осуществляется «семействами», для которых используются общие предшественники; многие аминокислоты сами служат субстратами для синтеза других аминокислот;

4) многие стадии биосинтеза аминокислот требуют притока энергии и сопровождаются гидролизом АТР (стадии синтеза гистидина, пролина, метионина, аспарагина, глутамина, аргинина); кроме этого, используется энергия активированных молекул, участвующих в синтезе; наконец, из катаболических и амфиболических процессов изымаются промежуточные продукты, которые могли бы обеспечить клетке запасание энергии;

5) многие этапы биосинтеза аминокислот требуют участия восстановительных эквивалентов (NADH и NADPH), которые могли бы быть окислены в дыхательной цепи и обусловить энергетический выигрыш.

Промышленное производство аминокислот

Аминокислоты стали получать в промышленности примерно в середине 60-х годов XX века, после того как были изучены важнейшие этапы обмена веществ. После этого некоторые аминокислоты стали использоваться в медицине, например для приготовления инфузионных растворов, другие (L-метионин, L-лизин и L-треонин) - в качестве кормовых добавок. Объем производства аминокислот значительно увеличился с тех пор, как было обнаружено, что L-глутамат может усиливать вкус, а дипептид аспартам обладает выраженным сладким вкусом. Молекулы всех белков построены из 20 протеиногенных аминокислот. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме, а должны поступать вместе с пищей (незаменимые аминокислоты). Для человека и многих сельскохозяйственных животных незаменимыми аминокислотами являются L-метионин, L-лизин, ароматические аминокислоты (L-фенилаланин, L-тирозин, L-триптофан) и гидрофобные аминокислоты (L-валин, L-лейцин и L-изолейцин). В природе также встречаются «небелковые» аминокислоты, например D-изомеры аминокислот. Их используют в синтетической химии, в том числе при производстве полусинтетических антибиотиков.

Производство аминокислот составляет более 2 000 000 т/год, что оценивается в сумму более 4 млрд долларов США. Значительная часть предприятий, производящих аминокислоты, расположена в азиатском регионе. Лидирует производство L-глутамата натрия (более 1 500 000 т/год), за ним следуют производства L-лизина (700 000 т/год) и L-метионина (600 000 т/год). L-Аспарагиновая кислота и L-фенилаланин - сырье для получения подсластителя аспартама - производятся в количествах 10 000 т/год. Около 65% производимых аминокислот используются в пищевой промышленности, 30% - как кормовые добавки для скота и лишь 5% аминокислот после дополнительной очистки применяют в медицинских целях, прежде всего для инфузионных растворов, а также в производстве косметических препаратов.

Существует четыре промышленных метода получения аминокислот:

1) Экстракцией из белкого гидролизата в промышленности получают прежде всего L-цистеин, L-цистин, L-лейцин, L-аспарагин, L-аргинин и L-тирозин. В качестве сырья используют растительные белки или отходы мясной промышленности, которые подвергают кислотному гидролизу, после чего путем кристаллизации или экстракции спиртом отделяют гидрофобные аминокислоты L-фенилаланин, L-лейцин и L-изолейцин. Затем проводят ионообменную хроматографию, разделяя растворимые аминокислоты на основную, кислую и нейтральную фракции, которые далее перекристаллизовывают и подвергают хроматографической очистке.

2) Химический синтез аминокислот всегда приводит к образованию рацемата (смеси L- и D-изомеров аминокислот), который также находит применение. Например, L,D-метионин применяется в качестве кормовой добавки, L,D-аланин добавляют во фруктовые соки для смягчения вкуса.

3) Для разделения рацематов аминокислот на L- и D-изомеры в молекулу аминокислоты вводят еще один хиральный центр при Сб-атоме. Такие реакции биотрансформации осуществляют в ферментере или клеточном реакторе. Биокатализатором могут служить очищенные ферменты или целые клетки, содержащие необходимый фермент. Экономически выгодно использовать иммобилизованные биокатализаторы, которые позволяют проводить реакцию непрерывно в течение длительного срока. Успех промышленного получения аминокислот объясняется тем, что химический синтез соединений-предшественников относительно дешев.

4) Для производства практически всех протеиногенных аминокислот разработаны методы ферментации, и имеются штаммы, позволяющие получать большие количества продукта. Во многих случаях такой подход экономически оправдан. Широко используются штаммы, усовершенствованные методами генетической инженерии. К настоящему времени закончено секвенирование генома Corynebacterium glutamicum. Полученная генетическая информация поможет ускорить создание новых высокопродуктивных штаммов. Во многих случаях уже клонированы целые опероны, ответственные за биосинтез аминокислот. Изучаются возможности управления обменом веществ клетки методами так называемой метаболической инженерии.

Заключение

Таким образом, биосинтез аминокислот обходится клетке достаточно дорого. Неудивительно поэтому, что данный процесс в каждом организме подвержен очень сложной регуляции, которая, с одной стороны, определяется сложностью и разветвленностью самого биосинтеза протеиногенных аминокислот, а с другой стороны, должна обеспечить строгую экономию клеточных ресурсов (энергии, восстановительных эквивалентов, строительных блоков). Закономерным представляется и тот факт, что при наличии экзогенных аминокислот, клетки микроорганизмов, в частности, не осуществляют их синтез самостоятельно, а используют готовые формы.

Список литературы

1. Овчинников Ю. А. «Биоорганическая химия» М: Просвещение, 1987. 815 с.

2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Классификация аминокислот // Биологическая химия. 3-е изд., перераб. и доп.. М.: Медицина, 1998. 704 с. ;

3. Гринштейн Дж., Виниц М., Химия аминокислот и пептидов, пер. с англ., [М.], 1965.

4. Биосинтез аминокислот: [Электронный ресурс] // Студопедия. URL: https://studopedia.ru/17_126483_biosintez-aminokislot.html. (Дата обращения: 13.03.2021).

5. Промышленный биосинтез аминокислот: [Электронный ресурс] // ООО «ПРОПИОНИКС». URL: http://propionix.ru/biosintez-aminokislot. (Дата обращения: 13.03.2021).

Размещено на Allbest.ru